aplicación de la dinámica de fluidos computacional a la acción del
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UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Departamento de Ciencias y Tecnicas
del Agua y del Medio Ambiente
TESIS DOCTORAL
Aplicacion de la Dinamica de
Fluidos Computacional a la Accion
del Oleaje Sobre Estructuras
Presentada por: Pablo Higuera Caubilla
Dirigida por: Javier Lopez Lara
Inigo J. Losada Rodrguez
Enero 2015
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Agradecimientos
Esta tesis doctoral es el fruto de varios anos de trabajo y sacrificios, de das buenos y
de das menos buenos, de semanas de 60 horas, pero afortunadamente de ninguna noche
sin dormir. Sin embargo, no es mi intencion atribuirme el merito completo, puesto que hay
personas detras que han contribuido en gran medida a su exito, sin siquiera imaginarselo.
En primer lugar me gustara agradecer a mi familia por todo el carino y la comprension
que me han brindado a lo largo de mis anos de vida. Papa y Mama, gracias por tener
siempre palabras bonitas y convencerme de que el tiempo pone todo en su sitio. David,
Miguel, gracias por las sonrisas que me arrancais. Pilli, Mimi, Marta, Moncho, Elas,
Luca, Mari, Chiqui y tantos otros, gracias por estar siempre pendientes y por preguntar
como va todo. Y por supuesto gracias a Yaya, no hay palabras. Esta tesis esta dedicada
especialmente a ella.
Quiza no sea lo mas apropiado separar a los amigos de la familia, pero solo en un
apartado en solitario destacan como se merecen. Hay tres personas que han jugado un
papel muy especial para m y que se merecen no solo una breve lnea en este trabajo, sino
una gratitud eterna. Estos amigo son como plantas crasas, porque aunque en ocasiones
no los haya regado suficiente, no se han marchitado. Fito, la musica y los viajes nos
ha unido y aunque seas la unica persona que practica las catas de agua se te quiere
igual. Jaime, gran fotografo y mejor persona, anfitrion como ninguno en Sao Miguel.
Largas han sido las decenas de noches de fotografa, las docenas de puesta de sol en la
Arna y un par de amaneceres tratando de disparar a los ciervos en Sejos y Richmond
Park, habra que seguir trabajando la tecnica y buscando La Foto. Inigo, hace ya mucho
tiempo del Campus de Qumica y todava conseguirnos rernos como aquella noche. No lo
perdamos nunca, porque ciertamente los suenos de una tarde de verano se pueden hacer
realidad, y especialmente los que vendran... brindaremos otra vez mas cuando los dos
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seamos doctores.
Me gustara tambien agradecer a mis directores de tesis, Javier L. Lara e Inigo Losada
por su continuo tutelaje. Sin su amplia experiencia solo habra podido aspirar a perderme
en el bosque del modelado numerico, un bosque que me han dejado recorrer en solitario,
pero acompanado de una excelente brujula. En especial tengo el placer de agradecer a
Javi todos los buenos ratos que hemos compartido en mil y un viajes de congreso, y todas
las anecdotas que como piezas de un puzzle me han ayudado a montar un panorama del
pasado, presente y futuro de la investigacion. No sera justo dejar de nombrar en este
apartado a mi tercer director, Raul Medina, gracias por todo.
Tampoco puedo dejar pasar esta ocasion sin agradecer al resto de companeros del
IH Cantabria. Son muchas las personas que a lo largo de estos anos de trabajo me han
mostrado y demostrado lo mejor de ellas. Por eso, ya haya sido en discusiones de trabajo,
en la comida y en el cafe, en ambientes mas distendidos o escalando una montana, siempre
las tendre presentes. Gracias Cesar Vidal, Edurne, Manu, Jorge, Alexia, Nico, Mar, David,
Mara y tantos otros.
Finalmente me encuentro en gratitud con el Ministerio de Educacion, Cultura y De-
porte por la financiacion brindada en el marco del Programa de Formacion del Profesorado
Universitario (FPU12-04354), que me ha permitido llevar a cabo esta tesis. Asimismo no
puedo mas que agradecer de nuevo al IH Cantabria por los medios que me ha ofrecido a
lo largo de estos anos, con los que he podido realizar los ensayos fsicos y numericos de la
tesis, ademas de presentar mi trabajo en numerosas conferencias y revistas internacionales.
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Indice general
Agradecimientos III
Indice general VII
1 Introduccion 1
1.1 Estructura de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Estado del arte en simulacion de interaccion oleaje-estructura 7
2.1 Modelos basados en teora de flujo potencial . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Modelos de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Modelos Eulerianos de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Modelos Lagrangianos de Navier-Stokes . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Necesidades de diseno en interaccion entre el oleaje y las estructuras . . . . 11
3 Objetivos y Metodologa 15
3.1 Objetivo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Objetivo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Objetivo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Modelado Numerico 21
4.1 Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Ecuaciones de gobierno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3 Caractersticas distintivas de IHFOAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.4 Validacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5 Aplicaciones 25
5.1 Interaccion de oleaje oblicuo con un dique mixto . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.1.1 Modelado numerico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.1.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.2.1 Metodologa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.2.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.3 Analisis del diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
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6 Conclusiones 436.1 Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436.2 Contribuciones cientficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.3 Transferencia tecnologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.4 Futuras lneas de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Bibliografa 53
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Captulo 1
Introduccion
Las estructuras costeras juegan un papel de alta importancia en la actualidad como
un elemento clave en la defensa de la costa. Bajo esta denominacion se pueden encontrar
todo tipo de obras martimas, como diques verticales y de escollera, espigones, muelles o
playas y arrecifes artificiales. Todas las estructuras comparten un fin ultimo, la proteccion
de las zonas costeras frente a las dinamicas del mar (oleaje y corriente).
Uno de las aplicaciones por las que se construyen obras martimas es para desarrollar
areas portuarias. Actualmente hay gran numero de infraestructuras portuarias repartidas
por todo el litoral, sin embargo el hecho de que el incremento del transporte martimo
haya inducido el crecimiento de los barcos, hace que solo algunos puedan proveer las
condiciones de accesibilidad y capacidad operativa que necesitan.
El incremento del tamano de los buques requiere una respuesta a nivel del puerto. De
esta forma los puertos mas pequenos intentan adaptarse a las nuevas industrias en auge y
cumplir con los nuevos estandares. Por ello, una de las preguntas mas complicadas a las
que tienen que enfrentarse los planificadores es decidir entre construir una expansion del
puerto en aguas mas profundas para mejorar el acceso, el area de maniobra y permitir
el atraque a barcos de mayor calado, o bien mejorar las infraestructuras actuales, para
cambiar su uso o niveles de funcionalidad. Esta segunda opcion suele implicar un menor
coste que la construccion de una obra nueva en grandes profundidades y a la vez supone
un reto tecnico de diseno que da lugar a estructuras no convencionales.
De cualquier forma, el proceso de diseno en ambos cases es igualmente desafiante.
Construir una estructura en aguas profundas requiere de unos estandares muy altos y
es muy costoso economicamente. A cambio, ofrece mejor acceso y maniobrabilidad para
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2 Captulo 1. Introduccion
grandes barcos. Adaptar una estructura existente para cumplir otro proposito o mejorar
sus niveles de funcionalidad u operatividad es generalmente mas economico, pero da lugar
a estructuras no convencionales, que tienen que ser probadas en detalle.
De la misma manera, la modificacion de estructuras no solo es aplicable para cambios
de uso, sino que puede servir para afianzar estructuras historicas. Ademas, la adaptacion
de obras de defensa por cambio climatico se perfila como un campo con gran crecimiento en
el futuro. En este caso se proyecta un anadido a la estructura para que mantenga o mejore
sus niveles de funcionalidad ante los efectos producidos por la variabilidad climatica:
aumento del nivel del mar y de la frecuencia y magnitud de los temporales. Esta situacion
ha quedado patente este ano con la gran cantidad de temporales que han azotado la costa
cantabrica y que han danado sobre todo paseos martimos expuestos y las estructuras de
proteccion de puertos pesqueros y deportivos mas vulnerables.
Tradicionalmente, el diseno y verificacion de las estructuras martimas se fundamen-
ta en dos pilares basicos: las formulaciones semiempricas y el modelado fsico. Ambas
permiten caracterizar los regmenes de operatividad, funcionalidad y fiabilidad.
La forma mas sencilla es aplicar formulaciones semiempricas basadas en analisis di-
mensional ajustado de ensayos de de laboratorio, que modelan el comportamiento hidrauli-
co de la estructura cuando se ve solicitada por el oleaje. Ademas, permiten obtener
parametros de comportamiento de las mismas de una manera simple y rapida. Entre
las mas conocidas se encuentran: Tanimoto et al. (1976) para el diseno de diques mixtos,
Goda (1985) y Takahashi et al. (1994) para diques verticales o van der Meer (1987) para
diques de escollera. Su principal ventaja es su simplicidad y su bajo coste. Sin embargo, no
son aplicables fuera de su rango de estudio, a estructuras con secciones no convencionales
o con efectos locales importantes.
El segundo metodo clasico es el estudio experimental en laboratorio, que sigue siendo
una pieza clave en el desarrollo del sector. Con el modelado fsico a escala se pueden
obtener formulaciones especficas ad hoc, aplicables para el caso concreto de estudio. Este
es especialmente necesario cuando la estructura es no convencional o esta sometida a
efectos tridimensionales. Un ejemplo ilustrativo es el Dique Torres del Puerto de Gijon,
que posee un entronque entre una seccion en talud que pasa a cajones, caso para el que
no existen formulaciones semiempricas. No obstante esta aproximacion presenta ciertas
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limitaciones operativas. Sus grandes inconvenientes son los efectos de escala y el alto coste
(temporal y economico) asociado a la ejecucion de los ensayos. La adquisicion de datos
tambien es un factor limitante, debido a que por lo general se dispone de un numero
limitado de sensores y en la mayora de las ocasiones son elementos de medida intrusiva
que modifican el flujo a su alrededor.
Ha sido recientemente cuando se ha incorporado el modelado numerico a este campo,
por lo que todava no esta estadarizado. No obstante, este metodo se recoge ya en el
catalogo de Diques de Abrigo en los Puertos de Interes General del Estado, editado por
Puertos del Estado en 2012. El catalogo lo anade como elemento de verificacion diferen-
ciador, en referencia a los trabajos que se han llevado a cabo con el software MARIFE, de
desarrollo conjunto entre Puertos del Estado y la Universidad de Cantabria, para verifi-
car el diseno del dique exterior del Puerto de La Coruna. Sin embargo estas herramientas
tambien presentan limitaciones, ya que las simulaciones bidimensionales no son capaces de
representar todos los procesos, mientras que las simulaciones tridimensionales requieren
de altos recursos computacionales. Ademas el modelado numerico requiere de una vali-
dacion para demostrar que es capaz de simular las dinamicas de interes, y generalmente
estos datos proceden de experimentos.
Es como complemento y extension al modelado fsico donde mayor sentido cobra el
modelado numerico. Esta simbiosis ha derivado en un nuevo campo de estudio denominado
modelado hbrido (composite modelling, (Gerritsen and Sutherland, 2011)) cuyo objetivo
es replicar y extender los ensayos fsicos mediante modelos numericos. El uso combinado de
ambas tecnicas puede ayudar a identificar los pros y contras de cada aproximacion, ya que
hay procesos que no se pueden simular fsicamente pero s numericamente (y viceversa)
por conflictos de su escala espacial o temporal.
Un modelo numerico tiene dos funciones principales en la fase de diseno:
Asistir en el prediseno de experimentos, senalando los casos mas importantes o
ayudando a localizar los sensores en zonas relevantes.
Extender la base de datos experimental con resultados de detalle mediante nuevos
ensayos puramente numericos, y por lo tanto mas economicos.
El continuo desarrollo del modelado numerico hace que en este momento este comple-
tamente preparado no solo para verificar sino para poder asistir en el diseno de estruc-
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4 Captulo 1. Introduccion
turas, ya que es posible simular distintas condiciones de oleaje y diferentes alternativas
estructurales simultaneamente. Ademas los resultados se pueden obtener a escala de pro-
totipo, evitando los efectos de escala y reduciendo la incertidumbre asociada a este tipo
de medidas.
Los resultados extrados de las simulaciones, en conjuncion con tecnicas avanzadas
como redes neuronales y algoritmos geneticos, se pueden aplicar despues para optimizar
el diseno de las estructuras con el fin de obtener soluciones constructivas mas funcionales
y a la vez mas economicas, ecologicas y sostenibles. Ademas, estas tecnologas no son solo
aplicables en el ambito de ingeniera de costas o portuaria, sino que otras industrias como
la oshore, pueden beneficiarse del modelado numerico por las mismas razones.
El caso del modelo IH2VOF (?), ilustra esta situacion perfectamente. No obstante,
IH2VOF es un modelo bidimensional, lo que limita su aplicacion a estructuras en las que
se puede asumir incidencia normal del oleaje, y en las que los efectos tridimensionales no
juegan un papel relevante. A da de hoy no hay un modelo 3D que este en una situacion
tan avanzada como el IH2VOF, capaz de simular estados de mar completos en tiempos
razonables.
Es por ello que se necesita desarrollar un modelo numerico tridimensional validado
con la capacidad de simular los procesos fsicos que rigen la interaccion del oleaje con las
estructuras martimas, que cumpla con las caractersticas enunciadas. Para ello sera ne-
cesaria una metodologa que racionalice su uso para obtener resultados de detalle, en tres
dimensiones y en un tiempo asumible, de forma que esta tecnologa pueda integrarse en
el proceso de diseno de estructuras martimas, como complemento a las tecnicas actuales.
Para concluir, es necesario recalcar que el modelado numerico avanzado de interaccion
del oleaje con las estructuras martimas ofrece todava grandes retos y oportunidades
para la investigacion. Esta tesis esta dedicada a afrontar algunos de los desafos mas
apremiantes para hacer el modelado numerico tridimensional accesible a la comunidad de
ingeniera costera y portuaria.
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1.1 Estructura de la tesis 5
1.1. Estructura de la tesis
Este documento es un resumen extendido de la tesis completa, escrita en ingles, con
el fin de cumplir la normativa de la Universidad de Cantabria. Por ello no debe verse
como un trabajo completo, sino como un documento donde se explican los puntos mas
relevantes. En cualquier caso, para obtener una explicacion o desarrollo ntegros vease el
documento en ingles.
En primer lugar se revisa brevemente el estado de la tecnica en simulacion numerica
de interaccion del oleaje con las estructuras en el Captulo 2. Con las carencias que
se encuentran se procede a enunciar los objetivos del trabajo junto con la metodologa
aplicada para conseguirlos en el Captulo 3.
Posteriormente, en el Captulo 4, se describe en detalle el funcionamiento del modelo
numerico desarrollado en este trabajo: IHFOAM. Seguidamente, se demuestra que el
modelo es capaz de replicar los procesos fsicos implicados en la interaccion del oleaje con
las estructuras mediante una serie de casos de validacion.
A continuacion, en el Captulo 5, el modelo se incorpora en el marco de una novedosa
metodologa hbrida para evaluar procesos tridimensionales en estructuras reales, con una
aplicacion practica en la que se simula el dique exterior del Puerto de Laredo en toda su
extension.
Finalmente, las principales conclusiones de este trabajo se recogen en el Captulo 6.
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Captulo 2
Estado del arte en simulacion de
interaccion oleaje-estructura
Actualmente existen tres tipos de modelado principales para simular procesos de in-
teraccion flujo-estructura. Dentro de ellos se encuentran los modelos basados en teora
de flujo potencial como Boussinesq o Nonlinear Shallow Water (NLSW), y los basados
en las ecuaciones de Navier-Stokes, tanto Eulerianos (Reynolds Averaged Navier-Stokes,
RANS) como Lagrangianos (Smooth Particle Hidrodynamics, SPH), como viene recogido
en la Figura 2.1. Cada procedimiento parte de una serie de consideraciones o simplifica-
ciones iniciales, y se encuentra en un diferente grado de desarrollo, por lo que su campo
de aplicacion es distinto.
2.1. Modelos basados en teora de flujo potencial
Antes de la generalizacion de los modelos de Navier-Stokes, los modelos mas extendi-
dos eran los de teora de flujo potencial o 2DH (bidimensional de plano horizontal) (Liu
and Losada, 2002). Esta denominacion general incluye los modelos de Boussinesq (FUN-
WAVE, Wei and Kirby (1995) o COULWAVE, Lynett and Liu (2002)) y los modelos
NLSW (SWASH, Zijlema and Stelling (2011)). En ambos casos son programas que resuel-
ven una version simplificada de las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas en vertical.
Estos modelos son ideales para la propagacion del oleaje incluyendo refraccion, difraccion
y asomeramiento. Debido a la simplicidad relativa de sus ecuaciones, permiten simular
grandes extensiones (de centenares de metros a kilometros) y series temporales (estados
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8 Captulo 2. Estado del arte en simulacion de interaccion oleaje-estructura
NLSW Boussinesq SPHRANS/VARANS
Eulerian Lagrangian
Navier-StokesModels
Potential FlowModels
Figura 2.1: Tipos de modelos numericos aplicados en interaccion oleaje-estructura. [Ima-gen SPH tomada de www.dual.sphysics.org]
de mar de varias horas) en tiempos muy competitivos (horas).
Probablemente la mayor desventaja de este tipo de modelos es la limitacion para
simular velocidades verticales y gradientes complejos de velocidades horizontales a lo largo
de la columna de agua, debido a sus hipotesis de partida. Esto imposibilita caracterizar
zonas con alto grado de reflexion o procesos como la rotura del oleaje. Para tratar de
emular esta ultima aplican procedimientos numericos con los que la altura de ola decrece
como si hubiese disipacion de energa. Pese a continuar mejorando, todava estan muy
lejos del realismo en interaccion flujo-estructura ofrecido por los RANS o SPH.
2.2. Modelos de Navier-Stokes
Los modelos de Navier-Stokes se pueden distinguir en funcion de como se trata el flujo.
Si los fluidos se consideran continuos en el espacio, los modelos se denominan Eulerianos,
mientras que si se representan como un conjunto de partculas individuales, los modelos
se llaman Lagrangianos.
2.2.1. Modelos Eulerianos de Navier-Stokes
El segundo tipo de modelos son los RANS. Sus ecuaciones provienen de aplicar la
descomposicion de Reynolds a las ecuaciones de Navier-Stokes, por lo que consideran
el fluido como un medio continuo (aproximacion Euleriana) y tienen la capacidad de
reproducir correctamente los perfiles de presion y velocidad a lo largo de la columna de
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2.2 Modelos de Navier-Stokes 9
Controlregion
RANS VARANSVolumeaveragingFigura 2.2: Metodo de promediacion volumetrica.
agua, al carecer de hipotesis de partida simplificadas. De este modo nos encontramos con
unas ecuaciones altamente no lineales que pueden simular completamente los procesos
que afectan al oleaje: refraccion, difraccion, reflexion, asomeramiento, rotura, interaccion
no lineal entre olas, ascenso (run-up), rotura del oleaje...
Otra de las grandes ventajas de esta aproximacion son las denominadas ecuaciones
VARANS (Volume Averaged Reynolds Averaged Navier-Stokes) o ecuaciones RANS pro-
mediadas en volumen. El proceso esquematico para su obtencion viene recogido en la
Figura 2.2. Con ellas es posible caracterizar el movimiento medio de los fluidos en el inte-
rior de medios porosos sin tener en cuenta su complicada geometra, sino considerandolos
como medios continuos. De esta forma se puede simular la interaccion del oleaje con los
mantos en diques de escollera o banquetas en diques verticales.
Los modelos RANS iniciales fueron los 2DV (bidimensionales de plano vertical), des-
tacando el COBRAS (Lin, 1998), VOFbreak (Troch and De Rouck, 1998) o IH2VOF
(Lara et al. (2008), Losada et al. (2008)). Por su bajo coste computacional son adecuados
tanto para replicar ensayos en un canal fsico como para simular estructuras a escala de
prototipo. Es por ello que son ampliamente usados a da de hoy, incluso para el diseno
de estructuras como demuestra el modelo IH2VOF. Como referencia, este modelo usado
posteriormente en el trabajo, es capaz de simular estados de mar horarios a escala de
prototipo (750 m de longitud) en menos de 24 horas en un PC.
La revolucion en el sector ha llegado con la generalizacion de uso de modelos RANS 3D,
ya que los procesos de interaccion flujo-estructura son altamente tridimensionales. Entre
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10 Captulo 2. Estado del arte en simulacion de interaccion oleaje-estructura
los modelos mas usados se encuentran el CADMAS-SURF (Kim et al., 2010), FLOW-3D
(Choi et al., 2007), IH3VOF (del Jesus et al., 2012). Debido a su alto coste computacional,
estos modelos requieren del uso de tecnicas de computacion en paralelo. De esta forma se
acelera el proceso de resolucion y los tiempos de computacion son lo mas ajustados posibles
para que puedan usarse en aplicaciones reales. Como orden de magnitud, IHFOAM, el
modelo desarrollado en este trabajo, es capaz de simular un dominio real de 500 x 500 m
a razon de unos 30 s por da con un entorno de paralelizacion HPC (cluster).
Los modelos RANS no estan preparados para simular dominios tan extensos como los
modelos potenciales, sino que ofrecen una mayor resolucion y representan los procesos
fsicos de manera mas exacta al rebajarse el numero de hipotesis de partida. El analisis de
los datos permite obtener resultados de detalle como leyes de presiones sobre la estructura,
rebase, reflexion, transmision, ascenso-descenso...
2.2.2. Modelos Lagrangianos de Navier-Stokes
El tercer tipo de modelos se denomina SPH y tambien se basa en las ecuaciones de
Navier-Stokes, pero en este caso en su forma discreta (aproximacion Lagrangiana) tanto
en 2D como en 3D. El comportamiento medio de las ecuaciones se reproduce mediante
la interaccion de un gran numero de partculas esfericas. La precision final depende del
numero total de partculas y de su tamano.
Este tipo de modelos no se encuentra tan desarrollado como los dos anteriores, pero
presenta algunas ventajas notables con respecto a ellos. En primer lugar, el SPH es un
metodo meshless, porque no resuelve las ecuaciones en una malla. Esto minimiza el
tiempo necesario de preproceso y elimina ciertos errores numericos. Ademas, la aproxima-
cion Lagrangiana no requiere resolver aceleraciones convectivas, altamente no lineales, y
que presentan problemas numericos a la hora de resolverlas. Es por ello que su forma de
resolucion es menos compleja que en el caso Euleriano, por lo que se pueden paralelizar
mediante tarjetas graficas, que poseen un rendimiento y velocidad mucho mayores con
respecto a los procesadores convencionales: dominios de 50 x 50 m se pueden simular a
razon de decenas de segundos por hora.
Los modelos mas extendidos a da de hoy son el SPHYSICS (Dalrymple and Rogers,
2006) e ISPH (Shao, 2010). Su principal desventaja es que todava no estan preparados
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2.3 Necesidades de diseno en interaccion entre el oleaje y las estructuras 11
Incident Waves TransmittedWaves
Reflected Waves
Run-Up, -Down
Deep Waters
Transmission
Overtopping
Reflection
Dissipation
RefractionDiffraction
ShoalingWave Loading
Figura 2.3: Procesos de propagacion del oleaje y de su interaccion con estructuras marinas.
para simular dominios tan extensos como los vistos anteriormente por su alta difusividad
numerica, que induce una perdida artificial de cantidad de movimiento. Ademas, el modelo
de flujo a traves de medios porosos solo esta desarrollado en dos dimensiones, impidiendo
simular estructuras porosas tridimensionales, limitando por tanto su aplicacion a casos
reales.
2.3. Necesidades de diseno en interaccion entre el
oleaje y las estructuras
El diseno de una estructura martima implica caracterizar y establecer unos niveles de
funcionalidad y estabilidad. Tradicionalmente este proceso se ha llevado a cabo mediante
formulaciones semiempricas y ensayos de laboratorio. El modelado numerico es un factor
novedoso que puede servir de asistencia en todas las fases de diseno. Esto es lo que se
conoce como modelado hbrido. Para que un modelo numerico se integre en la metodologa
global de diseno debe ser capaz de evaluar la estabilidad y funcionalidad de las estructuras.
Este es el requerimiento ultimo, que se fundamenta en otros mas basicos, como reproducir
los procesos que aparecen en la interaccion del oleaje y las estructuras, recogidos en la
Figura 2.3
En primer lugar, es evidente que un modelo numerico aplicable a ingeniera de costas
necesita ser capaz de generar oleaje. Puesto que las condiciones reales de oleaje depen-
den del periodo, altura de ola y profundidad de generacion, el modelo ha de ser lo mas
generalista posible y cubrir todo el espectro de oleajes. Asimismo, al generar el oleaje se
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12 Captulo 2. Estado del arte en simulacion de interaccion oleaje-estructura
introduce energa en el sistema. Si la energa no se disipa de algun modo, acabara incidien-
do de nuevo en los contornos, y produciendo reflexiones que distorsionaran los resultados.
Por ello es necesario un sistema de absorcion del oleaje. Existen numerosos sistemas de ge-
neracion y absorcion del oleaje, entre ellos generacion mediante funcion fuente y esponjas
numericas (Lin and Liu, 1999), zonas de relajacion (Jacobsen et al., 2012) y generacion y
absorcion activas (Troch and De Rouck, 1999). Este ultimo metodo puede considerarse el
mas avanzado, ya que comparado con los anteriores, no incrementa el coste computacional
del modelo. No obstante, en el estado del arte no hay una forma clara de implementarlo
de forma que absorba oleaje direccional en tres dimensiones.
Ademas el modelo debe poseer la capacidad de simular los procesos primarios de
transformacion del oleaje tales como refraccion, difraccion, asomeramiento o reflexion, y
los mas complejos como las interacciones no lineales ola a ola. Ademas, debe ser capaz de
simular correctamente la rotura del oleaje, capturando las grandes variaciones de velocidad
y presion existentes a lo largo de la columna de agua, las situaciones de superficie libre
multiconexas y la correcta disipacion de la energa asociada a este complejo proceso. Solo
en ese caso el oleaje que llegue a la estructura estara apropiadamente representado.
Para conseguir el fin anterior se ha de modelar la superficie libre que separa la fase
agua de la fase aire. Para ello existen numerosas tecnicas como Marker-and-Cell (MAC)
desarrollada por Harlow and Welch (1965) y otras mas recientes como Volume of Fluid
(VOF, Hirt and Nichols (1981)). Esta ultima se caracteriza por ser capaz de representar
configuraciones de superficie libre muy complejas con suma facilidad, tanto mediante la
reconstruccion geometrica de la superficie libre (Rider and Kothe, 1998) como mediante
la simple adveccion como pasivo escalar. En la tecnica VOF, se representa la fraccion de
la celda ocupada por el fluido de interes, por lo que 0 indica que la celda no contiene dicho
fluido, y 1 que esta llena completamente.
Otro factor importante es que el modelo sea capaz de simular correctamente el flujo
dentro de medios porosos, como los mantos y el nucleo de los diques, ya que este afecta
en gran medida a las variables asociadas a estabilidad y funcionalidad: las presiones sobre
la estructura y el rebase. Para ello existen formulaciones especficas como las ecuaciones
VARANS. En la literatura existen un gran numero de ecuaciones VARANS (Liu et al.
(1999), Hsu and Liu (2002), Nikora et al. (2007), del Jesus et al. (2012), Jensen et al.
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2.3 Necesidades de diseno en interaccion entre el oleaje y las estructuras 13
(2014)) derivadas teniendo en cuenta determinadas hipotesis. Sin embargo, se ha detectado
que ninguna de ellas deriva las ecuaciones acorde con la tecnica desarrollada por Slattery
(1967) y Whitaker (1967), altamente aceptadas en otros campos, y teniendo en cuenta la
variacion temporal de la porosidad. Con estas nuevas ecuaciones se podran tratar nuevos
problemas, como el transporte de sedimentos.
En la misma lnea, una adecuada caracterizacion de la estabilidad estructural implica
obtener presiones que recojan los efectos no lineales del impacto, especialmente cuando
son causados por olas ya rotas.
A priori, los modelos RANS 3D son los unicos que cumplen con las necesidades enu-
meradas, mientras que los demas no son plenamente aplicables. Por ejemplo, los modelos
potenciales no reproducen correctamente el oleaje no lineal, ni son capaces de simular la
rotura. Los modelos SPH puede que sean aplicables en un futuro, pero a da de hoy son
excesivamente difusivos, lo que limita el tamano de los dominios de calculo, y solo son
capaces de simular el flujo en el interior de medios porosos de forma bidimensional.
Algunas de las ventajas de incluir el modelado RANS 3D en la metodologa de diseno
ya han sido enunciadas: se pueden aplicar para el prediseno, para obtener resultados en
detalle de ensayos fsicos o para extender la base de datos experimental con bajo coste.
Ademas, la adquisicion de datos no esta limitada y se pueden localizar un gran numero
de sensores sin perturbar el flujo. El analisis de los datos permite obtener resultados
tridimensionales y ver su variacion a lo largo de toda la estructura. Como se vera en el
caso practico del Puerto de Laredo (Captulo 5), esto permite la optimizacion de la seccion
en base a un metodo cuantificable, que puede suponer un ahorro considerable en la fase
de construccion.
-
Captulo 3
Objetivos y Metodologa
Los objetivos de la presente tesis se han formulado para rellenar los vacos que se han
detectado en el estado del arte, as como para extender o mejorar ciertas capacidades ya
existentes.
Sin embargo, todos los objetivos pueden ser integrados en uno global: desarrollar
un modelo numerico tridimensional capaz de simular un gran espectro de procesos de
ingeniera de costas, con una implementacion robusta, realista, totalmente validado y
preparado para ser aplicado para el diseno de estructuras martimas reales.
Los objetivos primarios y secundarios, as como la metodologa seguida para conse-
guirlos se detallan a continuacion:
3.1. Objetivo 1
Desarrollar un modelo numerico tridimensional capaz de transformacion del
oleaje para su uso en ingeniera de costas.
El modelo debe ser universal, capaz de simular cualquier condicion de oleaje, presen-
tar una implementacion robusta y un comportamiento realista, de forma que sea pueda
caracterizar los procesos de transformacion del oleaje en su interaccion con las estructuras
martimas.
Este primer objetivo principal se compone de otros sub-objetivos que ofrecen una clara
lnea para el desarrollo del modelo.
Objetivo 1.1: Implementar una generacion de oleaje realista y robusta.
Las olas son la principal dinamica en ingeniera de costas. Como ya se apunto en el
-
16 Captulo 3. Objetivos y Metodologa
Estado del Arte, los metodos de generacion mas avanzados tienen lugar en los con-
tornos (tanto como condiciones de contorno de Dirichlet o como contornos moviles).
Asimismo, la absorcion activa del oleaje es necesaria para evitar los efectos secun-
darios de esta tecnica: el incremento del nivel medio del agua (Torres-Freyermuth
et al., 2010). Se persigue, por tanto, obtener unas condiciones de contorno capaces
de producir estados de mar realistas en cualquier profundidad relativa.
Objetivo 1.2: Implementar una absorcion del oleaje eficiente en los con-
tornos. La generacion del oleaje induce un incremento de la energa total del sis-
tema. Las olas que se propagan pueden finalmente romper, disipando parte de esa
energa, pero siempre hay una fraccion de la energa incidente que se refleja y alcan-
za los contornos. Si estas olas no se absorben, se reflejaran y se propagaran de nuevo
hacia el dominio de calculo, distorsionando los resultados. De nuevo la revision de la
literatura muestra que la absorcion activa (i.e. que se lleva a cabo en los contornos)
es el metodo mas avanzado y conveniente, comparado con la absorcion pasiva. Es
por ello que se desarrollara un sistema de absorcion activa (en contornos estaticos
y moviles) que permita realizar simulaciones mas largas, estables y realistas.
Objetivo 1.3: Enlazar los metodos de generacion y absorcion activa pa-
ra funcionar simultaneamente. La generacion activa del oleaje funcionando en
contornos estaticos presenta una desventaja: debido a la fsica de las olas, existe un
desequilibrio entre el agua que se introduce para crear las crestas y la que se extrae
para generar los senos. Es por ello que en simulaciones largas se puede producir un
incremento en el nivel medio del agua. Con el uso de la absorcion activa conectada
y funcionando simultaneamente con la generacion de olas se corrige este fenomeno.
Ademas, en el caso de contornos moviles, esta es la forma en la que funcionan en
los dispositivos de generacion del oleaje en los laboratorios.
Objetivo 1.4: Derivar unas nuevas ecuaciones VARANS para represen-
tar flujo bifasico a traves de medios porosos. Las ecuaciones VARANS han
probado ser el metodo mas avanzado para simular estructuras porosas complejas
sin tener en cuenta la geometra exacta de los obstaculos en los mantos. Puesto que
existen un gran numero de formulaciones en la literatura se puede demostrar que
-
3.2 Objetivo 2 17
las VARANS son capaces de considerar procesos fsicos adicionales si se derivan sin
asumir que la porosidad no vara en el tiempo. Esta mejora puede ayudar a incluir
en las ecuaciones, por ejemplo, el transporte del sedimento. Otra de las necesidades
en las simulaciones costeras es tener en cuenta el efecto de los medios porosos sobre
la turbulencia. Para ello es necesario promediar volumetricamente los modelos de
turbulencia.
Objetivo 1.5: Implementar las nuevas ecuaciones y enlazar la generacion
y absorcion en un nuevo modelo. OpenFOAM R se ha perfilado como un codigo
de CFD (dinamica de fluidos computacional) en volumenes finitos con capacidades
excepcionales. Sin embargo hay que enfatizar que OpenFOAMR no esta preparado
por defecto para simular procesos de ingeniera de costas, ya que carece de metodos
de generacion y absorcion del oleaje, as como de flujo bifasico dentro de medios
porosos. Por estas razones se decidio desarrollar este trabajo en OpenFOAMR, y
llamar el nuevo solver IHFOAM.
3.2. Objetivo 2
Validar el modelo numerico tridimensional para probar que es capaz de simular
procesos de ingeniera de costas.
Todos los modelos numericos deben estar validados para demostrar que producen
resultados correctos. En este caso, se han llevado a cabo diferentes pruebas de validacion,
ya que hay un gran numero de procesos fsicos implicados:
Objetivo 2.1: Validar la generacion y absorcion del oleaje. El primer paso es
probar que las nuevas condiciones de contorno desarrolladas son capaces de generar
todo tipo de olas, en funcion de diferentes teoras. Asimismo, la absorcion tiene
que mostrar un correcto desempeno, con coeficientes de reflexion lo suficientemente
bajos.
Objetivo 2.2: Validar los procesos de transformacion del oleaje. Es nece-
sario simular los procesos basicos de transformacion del oleaje (i.e. asomeramiento,
refraccion, difraccion, interacciones no lineales y rotura del oleaje) inducidos por
-
18 Captulo 3. Objetivos y Metodologa
geometras simples para demostrar que el modelo es capaz de reproducirlas de una
forma fsicamente correcta. Para ello hay que comparar los resultados numericos con
medidas de laboratorio para demostrar su eficiencia.
Objetivo 2.3: Validar el flujo a traves de medios porosos. El nuevo modulo
debe ser capaz de representar todos los procesos que los flujos bifasicos producen
al moverse en el interior de los medios porosos. Este paso implica caracterizar los
factores de friccion para varios tipos de medios porosos y bajo diferentes condiciones
de flujo por comparacion directa con datos experimentales.
Objetivo 2.4: Validar todos los procesos al unsono. Como paso definitivo
para demostrar la aplicacion total del modelo, tiene que demostrar su habilidad para
simular todos los procesos de interaccion del oleaje con las estructuras a la vez, de
la misma forma que suceden en situaciones reales.
3.3. Objetivo 3
Aplicar el modelo numerico tridimensional para simular estructuras reales a
escala de prototipo.
El ultimo objetivo es probablemente el mas ambicioso, ya que si no fuera posible
realizarlo el modelo desarrollado solo sera aplicable a un rango limitado de aplicaciones.
La posibilidad de simular estructuras reales abre nuevas perspectivas para el diseno de
nuevas obras martimas.
Generalmente, los modelos numericos muestran largos tiempos de calculo y requieren
del uso de medios computacionales intensivos. De esta forma, para obtener las condiciones
optimas de integracion en disenos reales se han de reducir ambos condicionantes. La
manera mas completa para realizar este objetivo es:
Objetivo 3.1: Desarrollar una metodologa para integrar el uso del modelo
en el proceso de diseno de estructuras martimas. La nueva metodologa debe
integrar diferentes modelos que sean capaces de, primero, propagar el oleaje en un
dominio extenso y sin tener en cuenta la estructura para reducir el dominio a simular
con el modelo RANS 3D, y segundo, simular la interaccion detallada entre un estado
-
3.3 Objetivo 3 19
de mar y la estructura, para extraer los instantes pesimos de cara a la inestabilidad
de la estructura. Ambos modelos deben poder ejecutarse en tiempos competitivos.
Con la consecucion de este objetivo, los ingenieros dispondran de una herramienta
avanzada para asistir en la toma de decisiones y con la que obtener disenos mas
optimos.
-
Captulo 4
Modelado Numerico
4.1. Introduccion
En este trabajo se ha desarrollado un modelo RANS 3D denominado IHFOAM. Su
concepcion comienza en el ano 2011 con el fin de adaptar OpenFOAMR para simular
procesos de transformacion del oleaje y de interaccion con estructuras martimas. Las
continuas mejoras introducidas desde entonces lo convierten en uno de los modelos mas
avanzados en el estado del arte actual, y plenamente preparado para resolver los procesos
enunciados en el apartado anterior.
Por que usar como elemento de partida OpenFOAMR? Porque es un codigo de CFD
universal, avanzado, robusto y cuyo uso se encuentra ampliamente instaurado en gran
variedad de industrias. Basicamente es una librera multiproposito con aplicaciones para
mallar, resolver y analizar problemas complejos como la turbulencia, el movimiento de
fluidos... Ademas, es completamente gratuito y de codigo abierto, por lo que puede ser
modificado. De este modo, y contrariamente a los codigos comerciales, OpenFOAMR no
es una caja negra: los usuarios pueden controlar y modificar todos y cada uno de los
pasos del proceso de resolucion.
IHFOAM, modelo desarrollado en esta tesis, resuelve las ecuaciones VARANS en domi-
nios tridimensionales para dos fases incompresibles (agua y aire) mediante la tecnologa
VOF (Volume Of Fluid), aplicando una discretizacion en volumenes finitos. Asimismo,
permite el calculo con gran cantidad de modelos de turbulencia (k , k ! SST...)
-
22 Captulo 4. Modelado Numerico
4.2. Ecuaciones de gobierno
Las ecuaciones VARANS desarrolladas en este trabajo incluyen terminos que tienen
en cuenta la variacion temporal de la porosidad, sin embargo la parte de transporte de
sedimento se ha dejado fuera de la tesis (vease Seccion 6.4).
Es por ello que las VARANS presentadas en este captulo no consideran variacion tem-
poral de la porosidad. Las ecuaciones de gobierno comprenden la ecuacion de continuidad
(4.1) y las de conservacion de momento (4.2):
@ huii@xi
= 0 (4.1)
1 + C
@ huii@t
+1
@
@xj
1
huii huji
=
@ hpif
@xi gj Xj
@
@xi+
1
@
@xj
e
@ huii@xj
+ F STi
(1 )3
3
D250huii
1 +
7,5
KC
1 3
D50
qhuji huji huii (4.2)
En ellas representa la porosidad del material; es la densidad; huii es la velocidad
promediada en volumen; hpif es la presion pseudo-dinamica; gj es la aceleracion de la
gravedad; Xj es el vector posicion; e es la viscosidad dinamica efectiva, que tiene en
cuenta la viscosidad molecular y la turbulenta; y F STi es la fuerza debida a la tension
superficial.
Finalmente tambien aparecen una serie de terminos de cierre que representan la friccion
adicional creada por los medios porosos. Puesto que no es posible calcularlos, hay que
modelarlos mediante las caractersticas de los medios (D50 es el tamano medio de grano).
Para ello en IHFOAM se aplica la formulacion de Burcharth and Andersen (1995). El
termino del factor corresponde a la friccion lineal con respecto a la velocidad. El termino
es la friccion no lineal, e incluye una mayoracion dependiente del numero de Keulegan-
Carpenter para flujos oscilatorios. El ultimo termino, transitorio, se ha incluido en la
aceleracion local mediante el factor C.
Cuando en las ecuaciones anteriores = 1 (es decir, fuera de los medios porosos),
-
4.3 Caractersticas distintivas de IHFOAM 23
resultan identicas a las clasicas ecuaciones RANS.
4.3. Caractersticas distintivas de IHFOAM
La principal caracterstica distintiva de IHFOAM es que se han desarrollado unas
condiciones de contorno especficas para la generacion y absorcion activa tridimensional
del oleaje. Puesto que el oleaje es la dinamica principal en las simulaciones de estructu-
ras martimas, estas tecnicas son elementos clave. Con este procedimiento, absorcion y
generacion se llevan a cabo unicamente en los contornos de la malla, por lo que no incre-
mentan el coste computacional significativamente. Tampoco necesitan extender el dominio
numerico. Esto supone un gran avance respecto a los metodos pasivos como el recogido
en Jacobsen et al. (2012), que implican aumentar el tamano del dominio en alrededor de
12 longitudes de onda.
Una generacion realista del oleaje sienta las bases de un resultado final lo mas preciso
posible. Es por ello que se han desarrollado gran cantidad de teoras de oleaje que se pue-
den aplicar en 2D y 3D, mediante contornos estaticos o moviles. Esto incluye la generacion
de estados de mar irregulares, con teora de segundo orden y dispersion direccional.
La absorcion activa permite que las olas que inciden en un contorno, en muchos casos
previamente reflejadas en las estructuras, desaparezcan con una reflexion mnima, como
lo haran en mar abierto. Su funcionamiento es similar al de los sistemas de generacion
en laboratorio, midiendo la elevacion de la superficie libre en el contorno para, mediante
filtros digitales, generar una velocidad de correccion que absorbe el oleaje, tanto en dos
como en tres dimensiones. Si no se asegura una correcta absorcion, el oleaje puede volver
a reflejarse en los contornos y contaminar los resultados.
IHFOAM tambien posee otra forma de generacion novedosa: un modulo para emular
los generadores de oleaje de laboratorio mediante contorno movil, replicando el movimien-
to real de la palas. Este metodo tambien incluye absorcion activa del oleaje, que modifica
el movimiento de los generadores de oleaje.
La generacion dinamica requiere de un complejo sistema para que el modelo sea capaz
de desplazar el contorno y ajustar la malla interna. Asimismo, esta tecnica permite simular
estructuras flotantes, como la presentada en la Figura 6.1, e incluso elementos rotatorios
-
24 Captulo 4. Modelado Numerico
como helices.
Otra de las caractersticas asociadas a las mallas dinamicas es el refinamiento dinamico
simultaneo a la simulacion, que permite obtener mejor resolucion en zonas de interes, como
a lo largo de la superficie libre.
4.4. Validacion
La validacion es un proceso que todos los modelos numericos necesitan desarrollar
para demostrar que son capaces de replicar las fsicas que simulan.
IHFOAM es un modelo ampliamente validado. La generacion y absorcion activa sobre
contornos estaticos demuestra sus capacidades en Higuera et al. (2013a), con un anali-
sis detallado de las diferentes teoras de absorcion (2D, Cuasi-3D y 3D) bajo distintas
condiciones de oleaje. En Higuera et al. (2013b) se valida el modelo replicando un gran
numero de procesos de transformacion del oleaje (difraccion, refraccion, rotura, interac-
ciones no lineales...) y de interaccion con estructuras impermeables (presiones, efectos
hidrodinamicos, ascenso...), en su mayora tridimensionales.
En referencias mas recientes, Higuera et al. (2014a), se valida el modulo de flujo en
el interior de medios porosos. Para ello, primero se calibran los coeficientes de friccion
de los medios con un ensayo muy simple en el que el unico forzamiento es la gravedad.
Posteriormente, se simulan dos casos en los que se prueba que el modelo poroso funciona
correctamente tambien para flujos oscilatorios, en 2D y 3D.
En el artculo mas reciente (Higuera et al., 2015) se valida el sistema de generacion y
absorcion multi-pala. Para ello se realiza una serie de ensayos puramente numericos, con
los que se estima el grado de absorcion de la condicion de contorno. Ademas se replican
2 ensayos de laboratorio, con sendas concentraciones de oleaje en 2D y 3D.
-
Captulo 5
Aplicaciones
La parte final de este resumen extendido esta dedicada a aplicar todos los avances
desarrollados para simular estructuras reales a escala de prototipo.
Los modelos RANS tridimensionales requieren grandes recursos computacionales para
ejecutarse. A pesar de que los tiempos de simulacion de los casos de validacion son razona-
bles, se necesita al menos una simulacion tridimensional de un estado de mar irregular de
una hora de duracion para disenar una estructura no convencional en base a los criterios
establecidos.
Sin embargo, con un ritmo tpico de simulacion de IHFOAM de 2 segundo por hora, la
simulacion completa necesitara 75 das de calculo, demasiado larga para ser aplicada en
el contexto de una consultora. Asimismo, cuanto mas extenso sea el dominio a simular,
mayor sera la cantidad de datos que se obtendran cada paso de tiempo, por lo que se
requerira una capacidad de almacenamiento considerable. En resumen, las capacidades
computacionales actuales no son suficientes para este tipo de simulaciones.
Se hace necesaria una metodologa para reducir el tiempo y dominio de las simulaciones
al maximo, con el fin de racionalizar el uso de recursos computacionales y el tiempo de
simulacion para obtener resultados.
El primer caso tratado en este captulo corresponde con una estructura idealizada y
que sirve de ejemplo para comprobar los beneficios de aplicar la hibridacion de dos mo-
delos RANS: IH2VOF (2D) e IHFOAM (3D). El objetivo no es solamente probar que la
hibridacion de modelos puede ayudar a reducir los tiempos computacionales significati-
vamente, sino tambien analizar como las variables ligadas a estabilidad y funcionalidad
pueden variar ampliamente a lo largo de la estructura bajo condiciones de alta tridimen-
-
26 Captulo 5. Aplicaciones
sionalidad.
El segundo caso corresponde con la aplicacion de una metodologa integral para simu-
lar estructuras reales bajo condiciones ambientales reales (e.g. batimetra, clima marti-
mo...). La metodologa desarrollada en la seccion anterior se integra en una mas completa,
que incluye el uso de diferentes modelos numericos y tecnicas estadsticas avanzadas. La
metodologa propuesta permite reducir la incertidumbre asociada a este tipo de calculos.
5.1. Interaccion de oleaje oblicuo con un dique mixto
Este primer caso practico muestra una estructura realista en toda su extension, some-
tida a un estado de mar con incidencia oblicua de 30 grados. Ademas se introduce una
metodologa de uso conjunto de los modelos IH2VOF e IHFOAM que permite racionalizar
el uso de los recursos y ahorrar mucho tiempo de calculo.
En este momento con IH2VOF (Lara et al. (2008), Losada et al. (2008)) es posible
simular estados de mar de una a tres horas de duracion a escala real en apenas 24 ho-
ras en 2D. Este rendimiento sobrepasa las posibilidades de IHFOAM considerando las
capacidades tecnicas actuales. Como se ha visto anteriormente los tiempos de simulacion
del modelo tridimensional son muy competitivos, pero simular un estado de mar en 3D
llevara demasiado tiempo y recursos de almacenamiento. Por ello se propone el uso de
una metodologa combinada 2D-3D. Con ella se simula el estado de mar completo con
el modelo 2D y se seleccionan los instantes mas desfavorables para la estabilidad de la
estructura. Posteriormente se simulan solamente esos instantes con el modelo 3D y se ob-
tienen los resultados que caracterizan el estado lmite ultimo de la estructura, incluyendo
efectos tridimensionales.
5.1.1. Modelado numerico
La estructura simulada es un dique mixto cuya seccion se puede ver en el panel superior
de la Figura 5.1. El manto principal esta formado por cubos de hormigon de 1.7 m de
lado y se define como un medio poroso. La estructura esta girada 30 grados respecto de la
incidencia del oleaje y se somete a un oleaje irregular definido por un espectro JONSWAP
de Hs = 4.5 m, Tp = 10 s y = 3.3.
-
5.1 Interaccion de oleaje oblicuo con un dique mixto 27
20 m
2
1
12 m
5 m
13 m
13 m
3.4 m1.6 m
2 m
Figura 5.1: Seccion y dominio del dique mixto.
-
28 Captulo 5. Aplicaciones
X (m)
Z (
m)
0 5 10 15 20 250
2
4
6
8
10
12
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Figura 5.2: Presiones dinamicas adimensionales (pdin/gHs) sobre el cajon del morro.
El dominio de la simulacion 3D se muestra casi completo en el panel inferior de la
Figura 5.1. En total tiene 345 x 225 x 35 m y presenta un mallado variable, con celdas
mayores (2 x 1 x 1 m) en generacion y mas finas (0.5 x 0.5 x 0.5 m) en la zona de detalle
alrededor de la estructura. Esta malla base suma unos 10 millones de celdas.
En la simulacion de IHFOAM se aplica la tecnica de refinamiento dinamico a lo largo
de la superficie libre, por lo que las celdas de la interfaz aire-agua presentan una resolucion
doble con respecto a la malla base, y van cambiando de forma dinamica. La malla final
tiene una media de alrededor 20 millones de elementos, con una discretizacion maxima de
25 cm.
La malla del IH2VOF corresponde a un transecto en perpendicular al dique, con
dimensiones analogas a la malla 3D y con el doble de resolucion respecto a la malla base
ya vista. En total tiene algo menos de 100,000 celdas y el estado de mar completo de 1 hora
de duracion se simula en 19 horas. El analisis de los datos permite obtener los coeficientes
de seguridad instantaneos frente a vuelco y deslizamiento. La simulacion de IHFOAM se
lanza 70 s antes del instante en que se obtiene la menor estabilidad en IH2VOF, de forma
que el agua este ya en movimiento cuando lleguen las olas a estudiar. La simulacion 3D
finaliza a los 110 s y tarda 4 das en 96 procesadores (2.6 GHz).
5.1.2. Resultados
Para el estudio detallado del dique se ha dividido en 5 cajones de 25 m de largo. Las
mayores solicitaciones, que inducen el estado mas desfavorable para la estabilidad de la
estructura, ocurren en el cajon del morro. Solo se estudiara este evento, entendiendo que
se pueden obtener resultados analogos para todos los cajones en cualquier paso de tiempo.
-
5.1 Interaccion de oleaje oblicuo con un dique mixto 29
Las presiones dinamicas para el estado mas desfavorable se muestran en la Figura 5.2.
En el panel izquierdo se representa la distribucion tridimensional sobre las caras expuestas
del cajon. Las presiones de la cara de barlomar tambien se representan, de forma adimen-
sional (pdin/gHs) y en 2D, en el panel de la derecha. La lnea blanca a trazos indica el
nivel inicial del agua en reposo.
En ambos paneles se pueden observar diferentes tipos de presiones. En primer lugar,
las presiones de la cara de barlomar (puntos rojos) muestran un comportamiento distinto
en funcion de su cercana al extremo del dique. En la parte mas alejada, la ley de presiones
se asemeja a la obtenida con la teora de Goda-Takahashi (Takahashi et al. (1994)). Sin
embargo, en la zona mas cercana al morro se puede observar un gran pico de presion de
impacto causado por la cresta de la ola. Su magnitud sostenida casi dobla a la maxima
prevista por la formulacion semiemprica y se mantiene durante medio segundo, apro-
ximadamente. Las subpresiones (puntos azules) presentan una forma similar a lo largo
de todo el cajon, sin variaciones resenables. Finalmente, las presiones de la cara frontal
(puntos negros) tienen una distribucion representativa. Como se puede observar, el primer
transecto vertical, el mas cercano a la esquina, tiene una forma similar a lo que ocurre en
la cara de barlomar. El resto, sin embargo, muestran presiones negativas (representadas
hacia el interior del cajon). Este fenomeno es debido a la gran separacion de flujo existente
en esa zona al pasar la cresta de la ola, que tiende a arrastrar el cajon.
En la Figura 5.1 se puede ver uno de los eventos de rebase, que ocurren a medida
que la cresta de la ola recorre la estructura. Mediante sensores posicionados a lo largo de
toda ella se puede estudiar la variacion espacial y temporal de magnitudes como el caudal
instantaneo o acumulado de rebase o el espesor y velocidades de la lamina de agua que
rebasa.
En este caso se ha estudiado el caudal instantaneo de rebase por metro lineal de dique,
tal y como se refleja en la Figura 5.3. El punto de referencia de distancias del eje X es
el arranque de la estructura. Las grandes diferencias que aparecen ola a ola se deben a
que el oleaje de estudio es irregular, por lo que no todas las olas tienen la misma altura y
forma. Sin embargo, la primera y segunda son similares y sus diferencias son fruto de la
interaccion del oleaje incidente con el reflejado por la estructura.
Con la primera ola del grupo de estudio aparece un rebase maximo de unos 9.0 m3/s
-
30 Captulo 5. Aplicaciones
Figura 5.3: Caudales de rebase instantaneos por metro lineal.
cerca del arranque para luego pasar a ser aproximadamente constante hasta el morro, con
un valor medio de 2.0 m3/s. La siguiente ola es del mismo orden de magnitud y produce
una distribucion muy similar pero con dos peculiaridades. El pico del arranque no aparece,
ya que esta ola interacciona con la reflejada de la primera y llega ya rota a la estructura.
Ademas aparece un pico muy alto, de 7.0 m3/s justamente sobre el morro. La ola final es
mucho mas pequena que las anteriores y el rebase se reduce acordemente.
5.2. Simulacion completa del Puerto de Laredo
El caso final pone de manifiesto todo el potencial del modelo, con un analisis tridimen-
sional del dique exterior del Puerto de Laredo (Cantabria). Una situacion tan compleja,
que incluye la geometra de la estructura y batimetra reales, necesita una metodologa
que defina los pasos a seguir para fijar las condiciones que se simulan en detalle. Por ello,
en este trabajo se propone una metodologa de trabajo que se esquematiza en la Figura 5.4
y se desarrolla a continuacion.
-
5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo 31
5.2.1. Metodologa
1. Caracterizacion del clima martimo en una localizacion cercana a la estructura no
afectada por procesos costeros (refraccion, difraccion...) ni por rotura del oleaje.
Puede provenir de una serie de datos observacionales, de medidas de una boya o
de reanalisis. Es conveniente que la base de datos sea lo mas extensa posible y
este calibrada.
2. Seleccion de un cluster de oleajes de la base de datos disponible mediante tecnicas
estadsticas de clasificacion como SOM, k-medias, MaxDiss...
3. Propagacion del cluster seleccionado desde el punto original hasta el pie de estruc-
tura mediante modelos integrados en la fase.
4. Reconstruccion del clima martimo en el pie de la estructura y seleccion del estado
de mar de diseno, conforme al periodo de retorno y condiciones establecidas por la
ROM (Nivel I).
5. Determinacion del oleaje de diseno en el punto inicial.
6. Propagacion del oleaje mediante modelos no integrados en fase desde el punto inicial
hasta el pie de la estructura. El resultado es una serie temporal de superficie libre
y velocidades.
7. Simulacion RANS en 2D con los datos de entrada del modelo no integrado en fase.
a) Calculo de las variables asociadas a la estabilidad estructural: coeficientes de
seguridad frente a deslizamiento y vuelco.
b) Identificacion de los grupos de oleaje que originan los mnimos coeficientes de
seguridad.
8. Simulacion RANS en 3D de los grupos mas desfavorables.
a) Estudio de detalle en tres dimensiones de las variables de interes: run-up, re-
bases, fuerzas, coeficientes de seguridad...
-
32 Captulo 5. Aplicaciones
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35004
2
0
2
4
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 35000
10
20
30
40
50
1 5
Caracterizacin delclima martimo1
2
Punto de clima martimo
Propagacin del oleaje conmodelo no promediado en fase6
Simulacin RANS en 2D con la serie temporal obtenida7
Identificacin de gruposde oleaje psimos
Simulacin RANS en 3D de los grupos ms desfavorables8
3
4
6
Punto a pie de estructura
7
8Interaccin
oleaje-estructura
Propagacin
Estudio de detalle en 3Dde las variables de inters
Seleccin del cluster de oleajes2
Propagacin del cluster conmodelo de fase promediada3
Determinacin del oleaje dediseo en el punto inicial5
Reconstruccin del clima martimo. Seleccin del estado
de mar de diseo (ROM)4
Serie temporal:Superficie libre
Velocidades
Clculo de estabilidad:CSD, CSV
MonteBuciero
Figura 5.4: Metodologa de trabajo para el modelado 3D de estructuras reales.
-
5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo 33
El proceso seguido en este caso en particular se ilustra en la Figura 5.4. El punto de
partida es el clima martimo de la base de datos DOW (Camus et al., 2013) en un punto
en aguas profundas proximo al puerto. Aplicando MaxDiss se han seleccionado 214 de los
estados de mar mas energeticos. La propagacion de este cluster (paso 3) se ha llevado a
cabo con el modelo espectral OLUCA, con el objeto de caracterizar los temporales a pie
de dique tras sufrir la transformacion.
Un puerto deportivo tpico, de una importancia similar a la que puede tener el de
Laredo, se calcula para un periodo de retorno de alrededor de 475 anos. El clima martimo
al pie de la estructura, segun el ajuste GEV, indica que la altura significante de ola
correspondiente al periodo de retorno de 475 anos es de 6 m. Este tipo de oleajes viene
asociado a periodos de 18 s, con una direccion dominante del NW en aguas profundas.
La difraccion del oleaje en el saliente del Monte Buciero y la refraccion en un canon
submarino, que concentra el oleaje, hacen que la direccion de incidencia al pie del dique
se encuentre alrededor de N15E. Se comprueba que la mayor ola mas probable para este
oleaje (10.8 m) es compatible con la profundidad (8 m + 5.5 m de marea), y corresponde
con la altura maxima de ola que puede alcanzar la estructura sin romper.
Una vez determinado el estado de mar de diseno, se propaga con el modelo IHBouss,
que resuelve las ecuaciones de Boussinesq (paso 6) y no considera la reflexion de la es-
tructura para evitar efectos artificiales en la propagacion. Los resultados son unas series
temporales de superficie libre y velocidades en varios puntos a aproximadamente una lon-
gitud de onda de la estructura. Estos se usan como datos de entrada para forzar el oleaje
en el modelado RANS con IH2VOF (paso 7). La simulacion en 2D permite obtener una
representacion idealizada de la estructura, con la que calcular los coeficientes de seguridad
al deslizamiento y vuelco de una seccion tipo. Posteriormente se identifica los grupos de
oleaje que inducen los mnimos coeficientes de seguridad, para simularlos en detalle en el
modelo 3D. Finalmente se simulan los instantes crticos para la estructura con IHFOAM,
forzando la generacion con las series de IHBouss.
Como antecedentes se puede comentar que el Puerto de Laredo es de reciente cons-
truccion. El dique exterior presenta un talud 1:2, esta formado por tres curvas enlazadas
y lo corona un espaldon de hormigon en masa, como se ve en la Figura 5.4. El manto
principal esta formado por bloques cubicos de 65 t, que aumentan a 70 t en la parte
-
34 Captulo 5. Aplicaciones
Figura 5.5: Propagacion e impacto del grupo contra el dique de Laredo.
exterior del morro. Bajo el se localizan un manto secundario con cubos de 6 t, un manto
terciario (escollera de 3001000 kg) y el nucleo. El talud de sotamar tiene pendiente 1:1.5
y es de escollera de 3001000 kg. El espaldon esta cimentado a la cota +5.5 m, coronado
a la +17 m y posee un botaolas en su parte mas expuesta. A medida que se acerca hacia
el morro, la cota de coronacion desciende hasta la +14 m y desaparece el botaolas.
La malla de IHFOAM esta orientada en la direccion de propagacion del oleaje (N15E)
y cubre una extension de 500 x 700 x 34 m. El contorno de generacion se localiza a apro-
ximadamente una longitud de onda del dique y el punto mas bajo de la malla corresponde
con la cota -11 m de la batimetra. El tamano de celda general se situa en 1.5 x 1.5 x 1 m,
mientras que en la zona de detalle (alrededor de la estructura y proxima a la superficie
libre) se reduce hasta 1 x 1.5 x 0.5 m. Para que el espaldon quede perfectamente definido
y obtener un gran detalle del flujo y presiones a su alrededor, se refinan las celdas adya-
centes hasta 0.25 x 0.375 x 0.125 m. En total esta malla contiene 10 millones de celdas.
Su rendimiento en la simulacion es de unos 25 s por da en 128 procesadores.
5.2.2. Resultados
En la Figura 5.5 aparecen varias instantaneas con una vista general del dique a me-
dida que el grupo de oleaje se propaga. Es la primera ola del grupo la que induce las
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5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo 35
Figura 5.6: Resultados tridimensionales de rebase, presiones y fuerzas sobre el dique deLaredo.
mayores solicitaciones, ya que la segunda llega ya rota por su mayor altura. Se pueden
ver tambien procesos tan complejos como el impacto del oleaje con el acantilado (t = 20
s), la interaccion ola incidente-reflejada (t = 30 s), la propagacion de un frente roto (t =
35 s) o la difraccion a medida que se sobrepasa el morro (t = 35 s).
En la Figura 5.6 se muestran los resultados del impacto de la primera ola del grupo.
En ellos se puede apreciar la gran tridimensionalidad de los procesos. En el panel superior
izquierdo aparece representada la superficie libre cuando la ola impacta en el espaldon y
la lamina de agua alcanza su maxima elevacion. Pese a que el nivel del agua proyectada
se encuentra muy por encima de la cota de coronacion el rebase es casi inexistente. Esto
es debido a que la cota superior de la cresta de la ola no excede el nivel de coronacion,
y por lo tanto la ola que impacta es deflectada por el botaolas. El resultado es que el
momento vertical que posee la ola en ese punto se proyecta hacia barlomar, lo que evita
el rebase sobre la estructura. Tambien se puede ver el efecto que juega el aire atrapado
en la interaccion con la estructura, ya que la zona de contacto del manto principal con el
espaldon presenta a lo largo de todo el dique pequenas bolsas de aire ocluido.
-
36 Captulo 5. Aplicaciones
1
1.5
2 x 106 Section Weight
F(N
)
45 30 15 0 15 30 45 60 900.5
1
1.5 x 107 Section Weight Moment
M(N
m)
Incidence Angle
Section Variation
Section 1 Section 2 Section 3
Figura 5.7: Secciones de referencia del dique de Laredo.
En el panel inmediatamente a su derecha se ha representado la ley de presiones sobre
una seccion del espaldon de 5 m de ancho. Las lneas negras indican la localizacion del
manto principal. La distribucion vara tanto a lo ancho como a lo alto de la seccion.
Es especialmente relevante el efecto protector del manto principal, ya que la presion
dinamica (sobrepresion con respecto a la inicial) en su interior es casi nula. Por encima
de su lmite superior s que aparecen presiones positivas por el impacto de la ola y una
pequena zona de presion dinamica negativa, probablemente causada por una bolsa de
aire atrapada en el manto. Tambien es resenable la gran complejidad de las subpresiones,
debido al talon del espaldon. En el panel inferior se pueden observar las presiones sobre
el espaldon completo, as como unas flechas que indican la fuerza total que actua sobre
diferentes secciones verticales. Se calculan integrando las presiones en transectos definidos.
Las mayores solicitaciones se localizan en el frente de ola, donde este ataca de forma
transversal al espaldon.
Tambien se ha llevado a cabo un estudio detallado de la estabilidad estructural, con-
-
5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo 37
0 5 10 15 20 25 30 350
5
10
15
20S
afet
yC
oeffi
cien
ts
t (s)0 5 10 15 20 25 30 35
2
0
2
4
6x 105
F(N
)
Horizontal ForceVertical ForceSliding SCOverturning SC
0 Section
Scale: 100000 Pa
Figura 5.8: Resultados tridimensionales de estabilidad en el dique de Laredo.
siderando distintas secciones a lo largo de la traza de la estructura, mostradas en la
Figura 5.7. Al tratarse de un dique curvo es posible analizar la variacion en las solicitacio-
nes causadas por el distinto angulo de incidencia del oleaje, de 0 a 90 grados. En el panel
superior se muestra una vista en perspectiva del dique exterior con todas las secciones de
estudio. Cada una de ellas tiene 5 m de ancho (analogas a las vistas en la Figura 5.6). El
codigo de colores indica la posicion de la seccion, ya que hay dos localizaciones (rojo/azul)
en las que el oleaje incide en las direcciones 15, 30 y 45 grados, una a cada lado de la
seccion con incidencia normal del oleaje (color negro, 0 grados). En el panel inferior se
muestran las propiedades de cada una de las secciones. Puesto que el analisis se realiza
sobre la geometra real, esta ha sido optimizada en su fase de diseno, y las secciones se han
aligerado en los lugares en los que se ha determinado que no estan sometidas a grandes
solicitaciones. Se pueden distinguir 3 tipologas, dependiendo de su altura de coronacion
y de si tienen botaolas o no.
El panel izquierdo de la Figura 5.8 muestra la evolucion temporal de las fuerzas me-
dias en la seccion por metro lineal (escala de la derecha). En rojo aparecen las fuerzas
horizontales, que muestran picos cuando la ola impacta. Las fuerzas verticales, en negro,
son mas suavizadas y de una magnitud similar a las horizontales. En el mismo grafico
tambien se representa el coeficiente de seguridad al deslizamiento de la seccion, en lnea
azul discontinua y con escala a la izquierda. Se aprecia que su mnimo global (crculo
azul) esta asociado al impacto de la primera ola, y su valor es de 3.4, muy alejado del
valor crtico representado en lnea roja discontinua. A su derecha se muestra la ley de
presiones media sobre dicha seccion para el instante crtico. Su forma es practicamente
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38 Captulo 5. Aplicaciones
0 15 30 45 60 900
1
2
3
4
5
6x 10
5 Max. Horizontal Force
Incidence Angle
F (
N)
0 15 30 45 60 900
1
2
3
4
5
6x 10
5 Max. Vertical Force
Incidence Angle
F (
N)
0 15 30 45 60 900
5
10
15
20
25
30
35
40Min. Sliding SC
Incidence Angle
Slid
ing
SC
Figura 5.9: Variacion de las solicitaciones en funcion del angulo de incidencia del oleajeen el dique de Laredo.
hidrostatica en la parte del espaldon protegida por los mantos y presenta dos maximos
locales en la parte expuesta, causados por del impacto del frente. Tambien se aprecian
presiones negativas en el botaolas, causadas por el arrastre al deflectar la salpicadura.
En la Figura 5.9 aparece una comparativa de fuerza maxima horizontal y vertical, y
de mnimo coeficiente de seguridad al deslizamiento para todas las secciones estudiadas.
La lnea verde es la evolucion esperada tomando como referencia la seccion de incidencia
normal y la evolucion tpica asociada al coseno del angulo de incidencia, como en la
formulacion de Takahashi et al. (1994).
La evolucion de las maximas fuerzas horizontales es pareja en ambas direcciones y los
resultados estan siempre por debajo de la lnea verde. Sin embargo, las fuerzas verticales
muestran un desarrollo diferente en funcion del lateral hacia el que se propagan, ya que
las rojas son hasta un 30% mayores que las del lado azul. Esta discordancia puede ex-
plicarse por dos factores: efectos locales de la batimetra y que la seccion del dique no es
homogenea, sino que su cota de coronacion vara a lo largo de su longitud para optimizar
costes. La variacion del coeficiente al deslizamiento es creciente en el lateral azul, lo que
indica que la estructura es mas estable cuanto mas alejada se encuentre de la incidencia
normal del oleaje. Los valores rojos son notablemente inferiores a los azules, puesto que
las fuerzas verticales eran mayores. De nuevo, los efectos locales son los causantes de este
comportamiento. No obstante, el coeficiente de seguridad mnimo global que se alcanza
es de 2, por lo que todava existe margen de seguridad.
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5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo 39
5.2.3. Analisis del diseno
Basado en los resultados tridimensionales, y si esta fuera una alternativa de prediseno,
el siguiente paso sera estudiar y proponer una seccion modificada, aligerada donde los
coeficientes de seguridad muestran mayores valores. De esta forma los coeficientes de
seguridad se reduciran (dentro de un margen aceptable y seguro) y se obtendra una
estructura mas optimizada: tan funcional y estable como la anterior, pero mas economica
en terminos de material.
Hay un gran numero de factores que se tienen que tener en consideracion cuando se
planea una estructura optima. Quiza la idea mas importante que hay que resaltar es que el
diseno perfecto desde el punto de vista teorico da lugar a la alternativa constructivamente
mas cara. Esto sucede debido a que el hormigonado del espaldon es un proceso semi-
automatico mediante encofrados deslizantes. Cambiar la seccion constantemente impedira
el automatismo y elevara los costes (en terminos de tiempo, materiales de encofrado y
ajustes) por encima de las ganancias en hormigon. Ademas, retrasar o bajar el ritmo
de construccion del espaldon eleva considerablemente el riesgo al que esta sometida la
estructura, ya que en el caso de que llegue una tormenta, la estructura se encuentra
desprotegida y el rebase puede llevarse los materiales.
Estas consideraciones iniciales dan lugar a unas conclusiones claras: para diques cortos,
una seccion unica es probablemente la opcion mas segura y economica. Para diques largos,
probablemente sea mas beneficioso tener varias secciones. La clave en este caso esta en
disenar todas las secciones para que puedan ser construidas con pequenas variaciones del
mismo encofrado modular, de forma que sea facil de construir y de amortizar.
La cuestion relevante es ahora como determinar si un dique es corto o largo. La
respuesta no es trivial, ya que necesita un analisis integral economico y de riesgo. Los
principales factores a tener en cuenta son los siguientes:
Tiempo y coste adicional para disenar y construir el encofrado.
Tiempo adicional para manejar el nuevo encofrado.
Tiempo adicional necesario para construir la transicion entre diferentes secciones.
Restricciones de plazo incluidas en el contrato.
-
40 Captulo 5. Aplicaciones
Riesgo climatico (danos) debido a los tiempos adicionales.
Ahorro economico debido al uso de menos hormigon.
En este caso en particular, el dique de Laredo tiene 730 m de longitud y posee 3
diferentes secciones, con 2 transiciones (vease la Figura 5.7). En vista de los resultados, el
diseno actual es optimo. La seccion 1 esta coronada a la cota +17 m, incluye un botaolas
y la losa inferior es corta y sin talon. La seccion numero 2 es identica a la primera, pero
la losa es mas larga e incluye un talon para evitar que deslice. La seccion numero 3
esta coronada a la cota +14 m, no posee botaolas y la losa inferior es mas fina. A pesar
de todo las anchuras de la pared vertical y de la losa de la base son iguales a las de la
seccion anterior. La forma similar de todas las secciones, que solo vara en la altura de
ciertos elementos, es muy conveniente de cara a usar un encofrado unico que se adapte,
ahorrando tiempo y dinero.
La cantidad total de hormigon necesario para construir el espaldon es de aproxima-
damente 47000 m3. Si todo el espaldon se construyese con una seccion unica (seccion
numero 2), se necesitaran 57000 m3, dando lugar a una estructura sobredimensionada.
La optimizacion que se ha llevado a cabo por los disenadores supone un ahorro del 20%
en hormigon, que considerando a un precio tpico de 130 e/m3, supone 1,300,000 e.
Se podra considerar una seccion mas aligerada cerca del morro del dique, pero esto
supondra un nuevo cambio de encofrado para una parte muy corta de la estructura. Esto
incrementara el coste y tiempo de construccion, no compensandose con el ahorro del
material.
5.2.4. Conclusiones
Esta simulacion pone de manifiesto la importancia de los efectos tridimensionales lo-
cales y la gran capacidad del modelado numerico tridimensional para asistir en el diseno
de estructuras reales. Se ha probado que el botaolas del dique de Laredo funciona co-
rrectamente, ya que el rebase para grandes olas es mnimo. En la portada del trabajo se
puede comparar la forma del impacto de una ola durante los temporales de este ano y
la de la simulacion. Tambien se ha demostrado que todas las secciones son estables, con
coeficientes de seguridad adecuados.
-
5.2 Simulacion completa del Puerto de Laredo 41
En base a los datos tridimensionales, el siguiente paso sera proponer una seccion mo-
dificada, mas aligerada a medida que se acerque la zona del morro. Con ella se reducira
el coeficiente de seguridad (dentro de unos lmites razonables) en las zonas menos solici-
tadas y se obtendra una estructura optimizada: igual de funcional y estable, pero mas
economica.
-
Captulo 6
Conclusiones
6.1. Conclusiones generales
Este trabajo se ha centrado en completar y mejorar el conocimiento existente, as co-
mo en perfeccionar las tecnicas asociadas al modelado numerico de interaccion flujo-
estructura. Para ello se han enunciado una serie de objetivos y una metodologa para
lograrlos, descrita en el Captulo 3. Las conclusiones que se pueden extraer son:
En la primera parte de esta tesis se presenta OpenFOAM R, un codigo de CFD multi-
proposito gratuito, de codigo abierto y plenamente establecido, que se ha adaptado para
incluir nuevas caractersticas.
El nuevo modelo desarrollado, IHFOAM, que resuelve las ecuaciones VARANS para
dos fases incompresibles en tres dimensiones, se presenta validado y listo para simular
todo tipo de procesos de interaccion del oleaje con estructuras de proteccion costera a
escala real, con tiempos de calculo muy competitivos. Las caractersticas distintivas que
lo situan entre los modelos mas punteros del estado del arte incluyen la generacion y
absorcion activas del oleaje, sin las que no se podran obtener resultados de tan alta
calidad. Ademas, las tecnicas de mallado dinamico permiten simular dinamicas complejas
y mejorar el detalle de los resultados en zonas concretas, ayudando a conseguir un elevado
rendimiento.
En vista de los resultados se ha conseguido una generacion y absorcion de olas realista,
estable y robusta. Ademas su implementacion en forma de condiciones de contorno ha
demostrado ser una de las mas avanzadas del estado del arte, puesto que no incrementa
el coste computacional del modelo.
-
44 Captulo 6. Conclusiones
Las nuevas condiciones de contorno incluyen las teoras de oleaje mas extendidas,
cubriendo con ellas todo el espectro de profundidades relativas, as como generacion de
primer y segundo orden. Ademas, puesto que los estados de mar reales son aleatorios
y tridimensionales, uno de los avances mostrados es la capacidad de generar espectros
frecuencia-direccion, discretizados en sus componentes.
El modulo de absorcion activa presenta un excelente rendimiento y es incluso capaz
de lidiar con oleaje reflejado con grandes amplitudes. Este metodo se ha asociado tam-
bien a contornos de generacion de oleaje, mejorando la estabilidad de las simulaciones
largas permitiendo que una gran parte de la energa fluya hacia el exterior y evitando el
incremento del nivel medio.
El desarrollo de una condicion de contorno movil para la generacion de oleaje es otra
de las novedades de esta tesis. Este procedimiento puede ayudar a obtener simulaciones
numericas mas detalladas, ya que replica las maquinas de generacion de laboratorio (pala
de tipo piston), e incluye absorcion activa.
El movimiento de las palas numericas se puede prescribir mediante una serie teorica
o una serie de feedback de un generador de laboratorio. La absorcion activa se pue-
de conectar para evitar que el oleaje se refleje en las palas. Tambien se pueden tener
en cuenta las limitaciones fsicas de las maquinas reales (maxima carrera, velocidades,
aceleraciones...) para realizar simulaciones previas realistas con senales teoricas.
Se han replicado correctamente experimentos de concentracion del oleaje en 2D y
3D. Los resultados presentan un alto grado de realismo, a pesar de que se han encontrado
limitaciones en OpenFOAM R a la hora de simular la propagacion de olas muy peraltadas.
La absorcion activa es tambien aplicable a contornos moviles y su efectividad es tan
alta como cuando se aplica en contornos estaticos. Los coeficientes de reflexion obtenidos
son generalmente menores al 10%, y solo mayores en los casos cuyas condiciones de oleaje
se alejan de las hipotesis de partida de esta tecnica. Sin embargo, la eficiencia de las
condiciones de contorno moviles es menor que las estaticas, puesto que el modelo tiene
que resolver el movimiento de la malla.
Tambien se han desarrollado unas nuevas ecuaciones VARANS que tienen en cuenta
los gradientes espaciales y temporales de la porosidad, suponiendo un avance con respecto
a una de las ultimas referencias en la literatura (Jensen et al., 2014). Esta nueva capa-
-
6.1 Conclusiones generales 45
cidad permite, por ejemplo, la simulacion de sedimento que se mueve. Asimismo, se han
promediado dos modelos de turbulencia, k y k! SST, para considerar la produccion
de turbulencia en el interior de los medios porosos.
La implementacion practica de las ecuaciones en OpenFOAMR incluye una formula-
cion de arrastre especfica para ingeniera de costas y soluciona problemas conocidos en
la version distribuida por OpenFOAMR, que no es conservativa con la masa.
La validacion es uno de los puntos fuertes de esta tesis. Con ella se prueba que IH-
FOAM es un modelo adecuado para simular procesos de interaccion entre el oleaje y las
estructuras, no solo por los buenos resultados obtenidos, sino tambien por las razonables
necesidades computacionales y tiempo de simulacion
El verdadero potencial de los modelos RANS radica en su capacidad de asistir en el
diseno de estructuras reales, superando las limitaciones de formulaciones semi-empricas
y experimentales. Este es el objetivo ultimo de la presente tesis.
En el Captulo 5, el uso conjunto de los modelos numericos IH2VOF e IHFOAM mues-
tra notables ventajas de cara a racionalizar los recursos y obtener tiempos de simulacion
mas competitivos. En este aspecto, el altsimo rendimiento del modelo bidimensional per-
mite calcular un gran numero de estados de mar, de entre los que seleccionar los casos
mas desfavorables para la estabilidad de la estructura, y despues simularlos en 3D. As, se
limitan las simulaciones de grandes dominios a unos cientos de segundos, lo que supone
obtener resultados hasta en 36 veces menos de tiempo, que solo incluyen los grupos de
oleaje con mayor incidencia en la estabilidad estructural. Con las simulaciones en deta-
lle se pueden obtener resultados como distribuciones de presiones, rebase, transmision o
patrones de reflexion tridimensionales a lo largo de toda la estructura.
La metodologa final propuesta para la simulacion de estructuras ntegras combina
todo tipo de herramientas y tecnicas estadsticas para reducir el rango de incertidumbre
asociado a este tipo de calculos. El uso del modelo IHBouss permite propagar el oleaje
teniendo en cuenta los efectos locales ocasionados por la batimetra y la interaccion ola a
ola, y obtener series temporales reales a pie de estructura en lugar de un espectro como se
viene haciendo hasta ahora. La introduccion del modelado 2D para seleccionar los casos
mas desfavorables cobra una mayor relevancia con su integracion en esta metodologa,
ya que es el elemento clave para permitir la aplicacion del modelo 3D. Finalmente, el
-
46 Captulo 6. Conclusiones
uso de IHFOAM para simular la estructura en toda su extension supone un hito en el
campo del modelado numerico ya que es la primera vez que se calcula una estructura
real tan compleja con un modelo RANS 3D. Ademas, los resultados indican el correcto
funcionamiento del dique, ya que no se han medido rebases y los coeficientes de seguridad
se ajustan a la norma.
En conclusion, el modelado hbrido se perfila como un factor clave en el futuro del
diseno de estructuras martimas, especialmente no convencionales. No hay que perder de
vista que en la